“三軟”特厚煤層巷道錨網支護技術與實踐

2023-06-07 20:37:46李志鵬李寧

河南科技 2023年9期

李志鵬李寧

摘要：【目的】針對焦家寨煤礦特厚煤層完整性差、松散易冒頂等突出問題，分析影響頂板冒漏的主要因素。【方法】通過現場煤層可錨性測試，確定了錨網支護的可行性；提出了長短錨索層次控制技術，優化了巷道支護方式；采用頂板超前“龍骨”預支護結構，有效防止頂煤漏冒。【結果】現場實踐表明：頂板錨索受力穩定，支護效果良好，防止了頂板冒漏現象。頂底板最大移近量156 mm，兩幫最大移近量82 mm，巷道變形量均在允許范圍內。【結論】本研究成功實現了“三軟”特厚煤層的錨網索應用。

關鍵詞：三軟特厚煤層；超前預支護；松動圈

中圖分類號：TD353? ? ?文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）09-0069-05

Abstract： [Purposes] In view of the outstanding problems such as poor integrity of the extra-thick coal seam and loose roof falling in Jiaojiazhai Coal Mine， the main factors affecting roof leakage are analyzed.[Methods] The feasibility of bolt-net support is confirmed by the on-site test of coal seam anchoring; The layer control technology of long and short anchor cables is put forward to optimize the roadway support mode; The roof advanced "keel" pre-support structure is adopted to effectively prevent top coal leakage.[Findings] The field practice shows that the roof anchor cable has stable stress， good support effect and prevents roof leakage. The maximum displacement of the roof and floor is 156 mm， the maximum displacement of the two sides is 82mm， and the roadway deformation is within the allowable range. [Conclusions] The application of the anchor mesh cable in the "three soft" extra-thick coal seam has been successfully realized.

Keywords： three soft extra-thick coal seam; advance pre-support; loose ring

0 引言

隨著我國煤礦資源開采重心由東向西轉移，山西、內蒙古等地區厚煤層的開采儲量逐漸達到全國煤炭總儲量的45%［1-2］。巷道是工作面高效開采的前提，巷道安全快速掘進是煤礦高效穩定生產的重要保障。煤層中普遍存在煤體本身強度低、松軟破碎，頂板破碎易冒漏等問題，尤其在特厚煤層中此類問題更為突出［3-6］。特厚煤層內開掘巷道通常為全煤巷道，由于開采強度大、煤體強度低、巷道穩定性差，掘進速度和采掘銜接問題已經成為制約礦井安全和高效開采的瓶頸［7-10］。因此，如何實現“三軟”特厚煤層內巷道安全掘進，保證正常采掘銜接對保障礦井安全高效開采具有重要意義。

許多學者對巷道錨網技術進行了大量研究工作。王恩乾和劉小雄等［7-8］從地質角度多方位研究巷道掘進過程中的地質異常區域，優化該區域支護參數和工藝順序，實現了巷道的快速掘進。付建華等［9］從松軟煤層的賦存特征和形成原因入手，提出了煤層錨固性能、錨桿預緊力和及時支護是實現快速掘進的關鍵問題。支光輝等［10-11］針對松軟煤層掘進過程中頂板漏冒問題，提出了掘進迎頭預注漿治理技術。

既有研究成果從不同的角度出發，通過改變支護方式、優化支護工藝等方面提高了巷道支護的穩定性，但針對“三軟”特厚煤層地質條件下的研究成果較少。本研究以焦家寨煤礦5#煤為工程背景，針對“三軟”特厚煤層頂板冒漏、支護困難等突出問題，深入分析影響掘進速度的主要因素，開展“三軟”特厚煤層巷道錨網索支護技術實踐。

1 工程地質概況

1.1 工程背景

焦家寨煤礦井田面積17 km2，采用走向長壁式采煤法，采用放頂煤開采工藝，全垮落法管理頂板，現核定生產能力為150萬t/a。5132工作面煤層厚度9.75～11.8 m，平均10.6 m，呈黑色，硬度較軟，硬度系數0.5，屬于典型的松軟煤層。掘進過程中采用架棚支護，施工過程中勞動強度大、工序復雜、支護效率低。同時，掘進過程中還面臨著頂煤多次漏冒現象，巷道安全性差，巷道維護困難，難以滿足正常的采掘接替，已經成為制約該礦高效率安全開采的主要瓶頸。

1.2 圍巖松動圈測試

巷道圍巖松動圈采用CT-2型超聲波探測法進行現場測試，在5132進風巷距離迎頭不同位置共布置5個測點，測試結果如圖1所示。從圖1可以看出，5132進風巷實測圍巖波速范圍基本處于500～1 400 m/s，呈現波速低、起伏大、不規律性的特點，且波速值明顯低于煤層介質的波速范圍1 700～2 800 m/s，表明測試范圍內圍巖處于松動破碎區，由此初步判定松動圈范圍約為2.2 m。

1.3 影響巷道安全支護因素分析

1.3.1 煤質松軟破碎。5132工作面煤層平均厚度10.6 m，硬度系數0.5，屬于松軟特厚煤層。巷道頂煤松軟破碎，現場施工過程中頂板多次發生漏冒現象。

1.3.2 原支護工藝落后。原支護采用架棚支護，勞動強度大，工序復雜，支護效率低，安全狀況差。

1.3.3 支護體系不完善。應增加超前預支護工藝，避免掘進割煤時頂板冒落。

2 巷道安全支護技術

2.1 煤層可錨性測試

為了提高支護效果，擬采用錨網索支護方式替換原有的架棚支護，應在現場測試錨固強度是否滿足規范要求。測試地點距離5132進風巷迎頭50 m，現場錨固劑型號為K2335，監測對象為頂板和幫部的錨桿（索），并分別測試了干式打眼和濕式打眼對錨固強度的影響。測試結果如表1和圖2所示。

從試驗結果可以看出：濕式打孔時煤體黏結能力降低，錨固能力下降，因此干式打孔實測錨固力明顯高于濕式打孔。依據規范要求錨固長度300 mm時錨固力要不小于100 kN，因此濕式打孔時錨固力均不滿足要求。干式打孔時僅有幫部錨桿1錨固力不達標，分析其原因是現場錨固劑在攪拌過程中發生了“手套”效應，其余錨桿和錨索錨固力均達到了規范要求。

2.2 支護方案設計

通過現場松動圈監測結果可知，5312進風巷圍巖松動圈約為2.2 m，已經超過普通錨桿的支護范圍，而加長錨桿長度不利于現場錨桿的安裝和錨固。基于現場錨索的錨固性能測試結果，錨索在松軟煤層內具有良好的錨固效果，因此，可運用頂板長短錨索層次控制技術。

2.2.1 巷道頂板支護。短錨索使用Φ17.8×4 300 mm鋼絞線，采用1支MSK2335和2支MSZ2360樹脂藥卷錨固，間排距750 mm×800 mm，每排布置7根，托盤規格為150 mm×150 mm×12 mm的鋼托盤。長錨索使用Φ18.9×7 300 mm鋼絞線，采用2支MSK2335和2支MSZ2360樹脂藥卷錨固，間排距1 600 mm×1 600 mm，每排布置3根，托盤規格300 mm×300 mm×16 mm的蝶形鋼托盤。要求錨索預緊力不低于180 kN，錨固力不低于330 kN。W型鋼帶規格4 700 mm×280 mm×3 mm，錨索與W型鋼帶、Φ6 mm×50 mm×50 mm的鋼筋網和塑料雙抗網配合護表。鋼筋網必須按設計要求進行搭接和聯網，搭接長度不小于100 mm，搭接處每隔200 mm用14#雙股鐵絲捆扎，采用雙排扣聯網，且每排聯網間距均不超過200 mm。

2.2.2 兩幫支護。錨桿使用Φ22×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼，采用1支MSK2335和1支MSZ2360樹脂藥卷錨固，間排距800 mm×800 mm，托盤為150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤，配合400 mm×280 mm×3.75 mm的W型鋼護板。護網為50 mm ×50 mm的8號菱形金屬網。預緊力不小于65 kN，錨固力要求不低于127 kN。優化后的支護方案如圖3所示。<C：＼Users＼Administrator＼Desktop＼河南科技五上終版＼Image＼圖3a.png>

2.3 超前預支護工藝

為防止5312進風巷掘進過程中頂煤大范圍冒落，設計在掘進工作面迎頭打設密集長鋼管作為超前“龍骨”預支護結構。鋼管規格Φ30×3 200 mm，可以滿足當班掘進3個循環，排距為300 mm，每排可布置15根鋼管，搭接距離800 mm。現場鋼管和頂板超前“龍骨”預支護結構如圖4所示，“龍骨”預支護結構的一端由錨索、托盤和W型鋼帶預壓固定，另一端在實體煤內，從而在頂板形成了穩定的簡支梁結構，有效解決了破碎頂煤的漏冒問題，為巷道快速掘進提供了安全保障。

3 工業性試驗

3.1 現場礦壓監測

3.1.1 巷道表面位移觀測分析。采用十字位移法監測5132進風巷開挖后的巷道變形情況，如圖5所示。從圖5可以看出，巷道開挖5 d內變形較為明顯，5～15 d變形呈緩慢上升，15 d以后圍巖變形逐漸趨于穩定。頂底板最大移近量156 mm，兩幫最大移近量82 mm，均在允許的變形范圍內。監測結果表明改進的支護方式有效地提高了巷道的穩定性。

3.1.2 巷道錨索應力觀測分析。采用MCJ-60型錨桿（索）測力計監測巷道開挖后頂板錨索的受力情況，監測結果如圖6所示。從圖6可以看出，頂板長短錨索受力變化趨勢較為一致，巷道開挖后10 d內錨索受力增加較快，10 d以后逐漸趨于穩定，表明頂板長短錨索隨著巷道變形能夠達到協調同步受力，頂板處于較為穩定的狀態。

3.1.3 錨桿（索）錨固質量檢測。為了檢測現場巷道支護體的錨固質量，對巷道錨桿（索）錨固質量進行抽檢，抽檢結果如圖7所示。結果表明：5132進風巷錨桿（索）錨固質量合格率達到了98.8%，優化后的巷道支護設計方案錨固效果良好，巷道支護施工質量能夠滿足設計要求。

3.2 經濟效益分析

5132進風巷架棚支護時采用11#工字鋼對焊棚進行支護，棚梁長3.6 m，棚腿長3.2 m，棚距0.6 m，鋪設鐵絲菱形網。將原架棚支護方式和改進后的錨網索支護方式的支護材料成本進行對比分析見表2。5132進風巷架棚支護時每米巷道支護材料費用約6 205元，改進后的錨網索支護方式每米巷道支護材料費用約2 346元，較架棚支護材料成本降低了62%。

4 結論

以焦家寨松軟特厚煤層為工程背景，針對5312進風巷掘進過程中多次出現頂煤漏冒、巷道維護困難、采掘接替緊張等突出問題，從改變巷道支護方式、改進支護工藝等多個角度展開研究。具體研究結論如下。

①分析影響5312進風巷支護困難的主要因素，包括煤質松軟破碎、原支護工藝落后、支護體系不完善等。

②研究松軟特厚煤層的可錨性，替換原架棚支護，實現松軟特厚煤層錨網索支護可行性的技術突破，提出頂板長短錨索層次控制技術體系，并制定相應的支護方案，現場礦壓監測結果良好，錨桿（索）錨固質量檢測合格率達到了98.8%，保證巷道的安全穩定。

③構建頂板超前密集長鋼管“龍骨”預支護結構，優化了“龍骨”長度，成功解決了頂煤松軟破碎、易冒漏的關鍵問題。

參考文獻：

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